Д.А. Ткаченко1, Ю.В. Батов2, Д.А. Пузько3, А.Л. Гельгор4

1–4 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)

Постановка проблемы. В системах цифрового спутникового телевидения 2-го поколения DVB-S2 и DVB-S2X предусмотрено применение различных видов модуляции Amplitude and Phase Shift Keying (APSK), включающих в себя модуляцию амплитуды сигнала и обладающих высокой спектральной эффективностью. Данные режимы могут применяться для передачи телевизионных каналов высокой (HDTV) и сверхвысокой (UHDTV) четкости, однако они предъявляют повышенные требования к линейности характеристик усилителей мощности (УМ) наземных станций и спутниковых транспондеров. В данном случае эффективным средством улучшения линейности характеристик УМ является использование цифровой предкоррекции.

Цель. Оценить эффективность использования цифровой предкоррекции УМ в системах спутникового вещания DVB-S2 и
DVB-S2X на основе имитационного моделирования, включая оценку возможного снижения степени аппроксимирующего полинома алгоритма предкоррекции.

Результаты. Разработана имитационная модель системы спутникового вещания DVB-S2/S2X, учитывающая характеристики спутниковых каналов, в состав которой входят основные блоки преобразования сигналов в передающих и приемных устройствах, блок предкоррекции, использующий модель Вольтерра, и различные модели УМ. На основе разработанной модели в среде MATLAB получены значения порогового отношения сигнал/шум (ОСШ) на входе приемника для различных сигнально-кодовых конструкций MODCOD стандартов DVB-S2 и DVB-S2X и различных моделей УМ. Показано, что использование предкорректора позволяет существенно (от 2 до 9 дБ) снизить пороговые значения ОСШ для режимов APSK, а также получить практически одинаковые пороговые значения ОСШ для моделей Салеха, Горбани и Раппа, описывающих различные типы УМ на лампах бегущей волны (ЛБВ) и на полупроводниковых приборах, а также для модели жесткого ограничителя амплитуды, которую можно рассматривать в качестве идеализированной характеристики УМ. В результате проведенного исследования установлено, что уменьшение степени аппроксимирующего полинома с 10 до 3 почти не сказывается на полученных результатах: для режимов с APSK пороговое значение при этом возрастает на 0,5–1,0 дБ в зависимости от модели используемого УМ и выбранного режима модуляции и кодирования.

Практическая значимость. Представленные результаты подтверждают целесообразность использования предкоррекции УМ в системах спутникового вещания DVB-S2 и DVB-S2X. При этом выбор параметров системы предкоррекции обусловлен компромиссом между обеспечением показателей работы системы и сложностью реализации алгоритма предкоррекции.

Ткаченко Д.А., Батов Ю.В., Пузько Д.А., Гельгор А.Л. Оценка эффективности использования цифровой предкоррекции в усилителях мощности спутниковых систем DVB-S2/S2X // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 12. С. 47−57. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j00338486-202212-04

1. ETSI EN 300 421, Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services.
2. ETSI EN 302 307-1: Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications; Part 1: DVB-S2.
3. ETSI EN 302 307-2: Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications; Part 2: DVB-S2 Extensions (DVB-S2X).
4. ETSI TR 102 376-2: Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for the second generation system for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications; Part 2: S2 Extensions (DVB-S2X).
5. Montalban J., Vera A., Angueira P., Makarov S., Gelgor A., Popov E., Tkachenko D. On the Efficiency of Layered Division Multiplexing for DVB-S2X Satellite Communications // IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB). Jeju, South Korea. 2019. P. 1–6.
6. Варгаузин В.А., Цикин И.А. Методы повышения энергетической и спектральной эффективности цифровой радиосвязи. СПб.: БХВ-Петербург, 2013. 352 с.
7. Гельгор А.Л., Ткаченко Д.А., Батов Ю.В., Пузько Д.А. Повышение скорости передачи информации через спутниковые каналы вещания путем применения мультиплексирования сигналов с разделением по уровню мощности // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 11. С. 138−145.
8. Lee J., Jeon S., Kim D.K. A Pre-Correction Algorithm for Broadcasting Transmitter // IEEE Transactions on Broadcasting. June 2016. V. 62. № 2. P. 487–495.
9. Bulusu S.S.K.C., Shaiek H., Roviras D. HPA Linearization for Next Generation Broadcasting Systems with Fast Convergence-Digital Predistortion // IEEE Transactions on Broadcasting. Sept. 2021. V. 67. № 3. P. 776–790.
10. Shi B. Digital Predistortion Linearization of Wideband Transmitter for High Data Rate Satellite Communications // IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), Singapore. Dec. 2019. P. 1589–1591.
11. Tian S., Yang D., Kuang J., Long Z., Chen D. A Full Link Wideband Predistortion Based on Under-sampled Feedback Signal for Satellite Communications. 2020 International Conference on Space-Air-Ground Computing (SAGC). Beijing. China: IEEE. Dec. 2020. P. 54–59.
12. Potier P., Lavallee C. Real-time Iterative Pre-distortion in Commercial DVB-S2X Satellite Modulator. Journal of Communications. 2020. P. 115–121.
13. Saleh A.A.M. Frequency-Independent and Frequency-Dependent Nonlinear Models of TWT Amplifiers // IEEE Transactions on Communications. Nov. 1981. V. 29. № 11. P. 1715–1720.
14. Galaz J.S., del Pino A.P., Martin P. High Order RF Filters for Communications Satellite Systems. IWMF 2015 – 6th CNES/ESA International Workshop on Microwave Filters. Toulouse. France. Mar. 2015.
15. Ghorbani A., Sheikhan M. The effect of solid state power amplifiers (SSPAs) nonlinearities on MPSK and M-QAM signal transmission. 1991 Sixth International Conference on Digital Processing of Signals in Communications. Sep. 1991. P. 193–197.
16. Rapp C. Effects of HPA-nonlinearity on a 4-DPSK/OFDM-signal for a digital sound broadcasting signal. ESA. Second European Conference on Satellite Communications (ECSC-2). Noordwijk. NL. Oct. 1991.
17. Giugno L., Luise M., Lottici V. Adaptive Pre- and Post-Compensation of Nonlinear Distortions for High-Level Data Modulations // IEEE Transactions on Wireless Communications. Sep. 2004. V. 3, № 5. P. 1490–1495.
18. Schetzen M. The Volterra and Wiener Theories of Nonlinear Systems. New York: Wiley. 1980.
19. Morgan D.R., Ma Z., Kim J., Zierdt M.G., Pastalan J. A Generalized Memory Polynomial Model for Digital Predistortion of RF Power Amplifiers // IEEE Transactions on Signal Processing. Oct. 2006. V. 54. № 10. P. 3852–3860.
20. comm.DPD Digital predistorter, https://www.mathworks.com/help/comm/ref/comm.dpd-system-object.html. Дата обращения: 22.08.2022
21. Puzko D., Batov Y., Gelgor A., Tkachenko D., Angueira P., Montalban J. Evaluation of Finite Discrete RRC-Pulse Parameters to Simulate DVB-S2 with LDM // IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), St. Petersburg, Russia. Oct. 2019. P. 140–143.
22. Balti E., Guizani M. Impact of Non-Linear High Power Amplifiers on Cooperative Relaying Systems // IEEE Transactions on Communications. Oct. 2017. V. 65. № 10. P. 4163–4175.
23. Smirnova E.N., Makarov S.B., Zavjalov S.V., Polozhintsev B. Influence of the Amplitude Limitation of Signals with the sin(x)/x Envelope on the Spectral and Energy Characteristics // IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St. Petersburg. Russia. Oct. 2020. P. 164–167.
24. Рашич А.В., Фадеев Д.К. Влияние клиппирования и смещения рабочей точки усилителя мощности на помехоустойчивость сигналов SEFDM // Радиотехника. 2015. Т. 79. № 9. С. 17−23.
25. Макаров С.Б., Завьялов С.В. Анализ значений величины пик-фактора случайных последовательностей оптимальных спектрально-эффективных многочастотных неортогональных сигналов // Радиотехника. 2015. Т. 79. № 9. С. 59−68.
26. Гельгор А.Л., Попов Е.А. Спектральная и энергетическая эффективности многопозиционных зависимых сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией // Радиотехника. 2008. Т. 72. № 12. С. 4−9.
27. Extending DVB-S2. New technology for satellite transmission DVB-S2X. DVB Fact Sheet. Apr. 2018.